1、工業電子學工業電子學 Industrial ElectronicsIndustrial Electronics張勁燕編著第五章雙向三極體和雙向二極體工業電子學工業電子學 Industrial ElectronicsIndustrial Electronics本章章節本章章節 5.1緒論 5.2Triac的電氣特性 5.3元件結構和工作原理 5.4金氧半閘控Triac 5.5包裝外型及接腳量測 5.6基本觸發電路 5.7緩衝和電源界面 5.8雙向觸發二極體 5.9Diac-Triac相位控制電路TriacTriac的電路符號的電路符號 Triac的元件符號和基本電路如圖5.1所示。Triac的三
2、個端點分別是M1、M2和G（或T1、T2和G，或MT1、MT2和G，或A1、A2和G）。M：main主要的。T：terminal，端點或端子。MT：main terminal主要的端點。A：anode，陽極。Triac有二個陽極，沒有陰極。圖5.1Triac的(a)電路符號，(b)電路接線圖Triac/SCRTriac/SCR等效電路等效電路 其實triac就像兩個並聯的SCR一樣。TriacSCR的等效電路，如圖5.2所示。當V2V1，SCR2作用，當V2V1，SCR1作用，對triac而言，也有電流上升速率太快，而使元件燒壞的效用，防止方法也和SCR相似。圖5.2Triac/SCR等效電路
3、偏壓下閘極電流和各電壓情況偏壓下閘極電流和各電壓情況 當triac的外加偏壓使主端點2（MT2）較正，亦即順向或正向主端點偏壓時，由閘極流向主端點1（MT1）的電流會觸發triac，使其導通。圖5.3(a)即表示此種狀況下的電壓極性和電流方向。此時triac的觸發和SCR完全一樣。圖5.3(a)正向主端點偏壓，(b)反向主端點偏壓，閘極電流和各電壓情況TriacTriac的主端點電壓波形和其負載電壓波形的主端點電壓波形和其負載電壓波形 圖5.4Triac的主端點電壓波形和其負載電壓波形常用的常用的TriacTriac的電性規格的電性規格 最大功率的triac，電壓高到1600 V，電流超過30
4、0 A。Triac使用的交流頻率限制於60或400赫，如果頻率過高，triac在導通之後，可能無法截止。SCR只在間隔半週之內導通，可以工作於比較高的頻率。TriacTriac的元件結構的元件結構Triac的結構比傳統的閘流體（thyristor）複雜的多，如圖5.5所示。它是一個六層的結構，有五個pn接面，三個電極短路。Triac可以被看成以pnp結構為主，擴散三個n區。除了p1n1p2n2構成主要的四層，還有一個接面閘極n3區、一個n4區。以M1使p2和n2短路，以M2使p1和n4短路，以閘極電極使n3和p2短路。圖5.5Triac的元件結構TriacTriac的四種不同觸發模式的四種不同
5、觸發模式此元件在不同偏壓狀況的工作情形，如圖5.6所示。當端點M2的電位大於M1，正電壓加到閘極，如圖5.6(a)所示，元件像一個傳統的閘流體，接面J4和J5為逆向偏壓，非主動。主電流由元件左側p1n1p2n2流動。圖5.6(b)，M2電位大於M1，而且負電壓加到閘極，J4為順向偏壓，電子從n3發射到p2，輔助的閘流體p1n1p2n3啟動，由於電晶體n3p2n1的放大作用，因而觸發左側p1n1p2n3閘流體導通。當M2的電位低於M1，主閘流體為右側p2n1p1n4，其餘圖5.6(c)、圖5.6(d)的原理和動作情形相似。圖5.6Triac的四種不同觸發模式TriacTriac的順向和逆向特性的
6、順向和逆向特性 Triac的IV特性曲線，如圖5.7所示。但這個曲線只表示出閘極未加觸發電壓的曲線。圖5.7Triac的順向和逆向特性TriacTriac的觸發模式的觸發模式與SCR的情況一樣，一般triac加至T2與T1的電壓，都比VDROM為小，因為在閘極與T2之間還加一個觸發的閘極信號電壓。再參考圖5.8，我們可歸納下列四項要點：1.正導通方向，電流是從triac的T2流至T1（可對照圖5.6(a)和(b)）。2.負導通方向，電流是由triac的T1流至T2（可對照圖5.6(c)和(d)）。3.不管是在正或負導通的期間，只要T1T2間的電流低於保持電流Ih以下，triac就如同開關一樣，
7、由導通狀態變成截止狀態。4.不管在那一種方向，一旦triac導通後，T1T2間的電壓降大約為1 V左右。因此，當triac導通時，流經triac的電流大小是由負載電阻RL所限制。TriacTriac加閘極電流觸發之加閘極電流觸發之I IV V特性特性 當triac加上閘極電流之後，導通電壓降低，如圖5.8所示。第一象限如同SCR，閘極電流越大，導通電壓越小。Triac在第三象限的IV和第一象限成對稱關係。圖5.8Triac加閘極電流觸發之IV特性V V字槽字槽MOSMOS閘控閘控triactriac結構圖及其結構圖及其I IV V特性特性 以金氧半（MOS）閘極控制製作的V字槽閘流體，如圖5.
8、9所示。閘極結構必須延伸進入n漂移區（drift regien），陽極陰極加正電壓VAK，當閘極電壓等於金氧半元件的臨限電壓（threshold voltage），閘極氧化物下的半導體反轉（inversion），電子從上層n射出，經p基極，到n漂移區，使n漂移區的電位下降，p陽極和n漂移區的順向偏壓加大，元件像閘流體一樣導通，陽極陰極電壓大幅下降。圖5.9V字槽MOS閘控triac，(a)結構圖，(b)IV特性MOSMOS閘斷閘流體結構其及等效電路閘斷閘流體結構其及等效電路 另一個金氧半元件，可以利用正閘極電壓使其導通，負閘極電壓使其截止，如圖5.10所示。原因是負閘極電壓使PMOS導通，因而
9、使npn BJT的射極基極（EB）短路。此元件的工作像一個閘斷開關（gate turn off switch，GTO）。圖5.10MOS閘斷閘流體，(a)結構，(b)等效電路TriacTriac的判別的判別 判斷此元件為triac或SCR，測試其接腳是否正常（不短路、不開路）可用三用電錶，將電錶放在R1檔。T1和T2之間應該為高阻抗（近乎無窮大），G與T1之間應為低阻抗（約在10左右）。Triac的接腳測試，如表5.3所列。圖5.11Triac接腳的判別TriacTriac接腳量測接腳量測-1-1 1.先把電錶黑棒放在T2，而紅棒放在T1點上。如圖5.12所示，此時電錶不動。圖5.12Tria
10、c接腳之量測 TriacTriac接腳量測接腳量測-2-2 2.將T2點與G點接觸，然後離開。此時錶頭指針將右轉至10附近。（注意：黑棒仍然不可離開T1，而紅棒不可離開T2），如圖5.13所示，此時電錶右轉。圖5.13Triac接腳之量測TriacTriac的包裝外觀的包裝外觀 圖5.14Triac的包裝外型TriacTriac的基本靜態開關的基本靜態開關 此電路利用手動開關變換位置，以控制閘極的觸發電壓，當開關放在電阻R的位置時，有電流流經R加到triac的閘極上，使triac導通。如果開關仍然放在位置，triac繼續導通。若開關撥到位置，triac將在電源次半週截止。有時triac的兩端也
11、接上一個RC電路，可預防triac作錯誤的導通，此RC分路也引掉過多的突波（spike）電流。圖5.15Triac的基本靜態開關TriacTriac的雙向觸發的雙向觸發 Triac雖然可以雙向導通，但必須於交流的每一半週內在閘極上加觸發電壓，才能使triac導通，如圖5.16所示，正半週時G點上的觸發信號必須為正電位，triac才能導通。當電源為負半週時，G點上的觸發信號必須為負電位，否則triac就會截止。圖5.16Triac的雙向觸發簡單的閘極控制電路及其改良型簡單的閘極控制電路及其改良型 最簡便型的triac觸發電路示於圖5.17(a)，在每半週的延遲角時間內，電容器C可經由R1和R2充
12、電。於正半週時，MT2的電壓較MT1為正，電容器C的上面板極性為正，當C上的電壓足以經R3供應triac觸發所需的閘極電流（IGT）時，triac即導通。在負半週時，C的極性相反，下面板極性為正，上面板為負，當C上的負壓若足以供應由MT1進入，而由R3流出的閘極觸發電流時，triac也會導通。圖5.17(a)簡單的閘極控制電路，(b)改良型閘極控制電路以二極體、電阻做以二極體、電阻做triactriac導通相位控制導通相位控制 圖5.19所示為二個二極體D1、D2和一個可變電阻VR構成的triac觸發電路，實際上的電路當然沒有這種組態，但此電路可以幫助我們瞭解triac的控制電路。當交流電源為
13、正半週時，電流經D1和VR加到triac的閘極，當觸發電位夠大，triac導通。改變VR的電阻，即可控制激發角和導通角。圖5.19以二極體、電阻做triac導通相位控制TriacTriac的相位控制的相位控制 所謂相位控制（phase control）即是藉控制交流電壓，以控制每一週期內允許流入負載的電流。圖5.18為一基本的triac相移控制（phase shift control）電路與全波相位控制的負載電壓波形。圖5.18Triac的相位控制 TriacTriac的簡單緩衝作用的簡單緩衝作用 對於交流triac緩衝，電流必須在二個主端點來回流動，電容器必須相等的充電、放電。不可以並聯一個
14、電阻和一個二極體，因為這樣雖然可以快速充電，但放電時電流卻被限制住了。最簡單的triac緩衝方法是將SCR緩衝器電路去掉二極體，如圖5.20Triac的簡單緩衝作用。圖5.20Triac的簡單緩衝作用雙網路雙網路TriacTriac緩衝器緩衝器以此結構，截止閘流體時，可將電源自負載移開。這樣才是安全的作法。如果把負載接到電源熱線，而切換中性線，觸發會比較簡單，但是非常危險。當閘流體截止，它是非主動的。它的兩端接到熱線，觸摸此非主動負載的任一端，會觸到電源熱線，可能會電死！圖5.21雙網路triac緩衝器光耦合光耦合TriacTriac驅動器概略圖驅動器概略圖 光耦合的triac驅動器的概略圖和
15、接腳，如圖5.22所示。此元件包括一光控矽雙向開關耦合一發光二極體（LED）。當LED導通，矽雙向開關被啟動。以60赫驅動LED，導通時間80S，觸發器電流大於600 mA，可提供給SCR或triac使其導通。圖5.22光耦合的triac驅動器概略圖比較器比較器TriacTriac驅動器界面電路驅動器界面電路 一導火電路如圖5.23所示。要使矽雙向開關導火，才可觸發SCR或triac，就必須先啟通LED。圖5.23比較器triac驅動器界面電路DiacDiac的結構、特性及元件符號的結構、特性及元件符號 Diac的結構，IV特性和元件符號，如圖5.24所示。Diac也有負電阻區，diac的正反
16、轉態電壓很接近，但不對稱，如一邊16 V，另一邊12 V。較大的那端會加個圓圈以做識別。圖5.24Diac的(a)結構，(b)IV特性，(c)元件符號雙向雙向pnpnpnpn開關的結構開關的結構另一種雙向pnpn開關也可以當作diac，它是二個傳統的蕭克萊二極體（Shockley diode）反相並聯而成，結構如圖5.25(a)所示，它能適應二種極性的交流訊號。此M1代表主端點1，M2代表主端點2。利用短路陰極原理，我們可以將此安排集合為一個二端點雙向二極體，如圖5.25(b)所示。此結構的對稱使得任意極性的電源電壓均有相同的結果。圖5.25雙向pnpn開關的結構雙向二極體的元件符號及其雙向二
17、極體的元件符號及其I IV V特性特性 Diac有對稱的IV特性，如圖5.26所示。和蕭克萊二極體相似，雙向二極體可以利用，使它超過轉折電壓或利用dv/dt激發使其導通。因為再生回授的動作，雙向pnpn二極體開關比起交流激發的二極體，負電阻較大和順向壓降較小。圖5.26(a)雙向二極體的元件符號，(b)IV特性Diac的交流測試電路於A、C二點間的波形圖一個diac交流電壓測試的電路，如圖5.27(a)所示。R1是保護用電阻，可變電阻VR可調整充放電的波形。C1的耐壓為150 V。交流電源經R1VRC1充電，當C1之端電壓超過diac的崩潰電壓，C1經diac和R2而放電，AC二點間的波形，如
18、圖5.27(b)所示的鋸齒狀，無論交流電源的正半週或負半週均有鋸齒波出現。圖5.27Diac的(a)交流測試電路，(b)A、C二點間的波形圖DiacDiac的直流測試電路的直流測試電路 將電路修改，前端加二極體D1和電容C2作半波整流，以直流電加到R1上，如圖5.28所示。電路的充放電路徑和前圖相同，但C2兩端為直流電。若將D1和C2的極性同時反轉，可得負向直流電測試電路。圖5.28diac的直流測試電路DiacDiac的充放電電路及波形圖的充放電電路及波形圖 若電源的極性倒轉，電壓波形就如圖5.29(c)所示。以diac觸發triac的電路，實際就是利用圖5.29(b)和圖5.29(c)的波
19、形，由diac傳送到triac（或SCR）的閘極，作為觸發脈波。圖5.29Diac的充放電電路及波形圖基本基本DiacDiac弛張振盪電路及波形弛張振盪電路及波形 圖5.30所示為基本的diac弛張振盪器（relaxation oscillator）電路。當電源VS加上時，diac處於截止狀況，而電流經R2向電容器C充電。當電容器C兩端電壓上升至diac的轉態電壓VBR時，diac導通而電容器C經diac放電，於電阻器R1上產生脈波輸出。圖5.30基本diac弛張振盪電路及波形 DiacDiac弛振盪器用於激發閘流體電路弛振盪器用於激發閘流體電路 圖5.31中，diac弛張振盪器頻率仍取決於R
20、1、R2與C的充電時間常數。R3電阻器是用來限制電容器C的放電電流，若改變R3電阻值，可以調整輸出脈波的寬度。圖5.31Diac弛振盪器用於激發閘流體電路DiacDiac做做 TriacTriac的觸發元件的觸發元件 圖5.32為diac-triac的相位控制電路，利用VR1和C1充放電，調整VR1作相角控制，R2C2是用來保護triac的緩衝器（snubber）。圖5.32Diac做triac的觸發元件，(a)電路，(b)波形圖減少遲滯現象的減少遲滯現象的DiacDiacTriacTriac電路電路 新增加的電阻10 k是避免VR1變為零時，電容C的充電速率太快。電阻56 k和電容0.1F是
21、緩和電容C1的放電現象。圖5.33減少遲滯現象的diactriac電路DiacDiac和和TriacTriac組成的相位控制電路組成的相位控制電路 圖5.34(a)所示，為由triac TIC226B和diac 1N5411組成的相位控制調光電路。圖5.34(a)由diac和triac組成的相位控制電路(b)VC、VG、VA2A1和VL的波形相位控制電路的遲滯現象及改善遲滯相位控制電路的遲滯現象及改善遲滯的電路的電路 遲滯現象表示當電阻R由最大值慢慢調小時，燈泡的亮度控制不是漸漸增強，而是突然增強的。欲改善遲滯現象，多加二個電阻R和VR2及一個電容C即可，如圖5.35(b)所示，VR2100
22、k、電阻68 k和電容0.1F，即可改善遲滯。圖5.35相位控制電路的(a)遲滯現象，(b)改善遲滯的電路TriacTriac作調光器電阻作調光器電阻 利用triac作調光器，如圖5.36所示。利用diactriac的基本相位控制電路，配合插座、氖氣管（BEN2）插座上插燈泡，燈泡可用10W100W或以上。調整可變電阻VR（或稱電位計potentiometer）的大小，來控制燈泡的亮度。圖5.36Triac作調光器電阻DiacDiactriactriac控制光感測自動點燈電路控制光感測自動點燈電路 以diactriac控制電路，配合硫化鎘（CdS）光敏電阻（photo sensitive resistance），可作光感測自動點燈器，適於夜間室外用，如圖5.37所示。圖5.37 Diactriac控制光感測自動點燈電路
